辽宁省专业学位研究生规模稳定增长

摘 要： 提出了一种采用晶振和比较器的结构实现实时时钟RTC的32. 768kHz集成晶体振荡电路的方法。设计基于UMC 0. 18um 工艺参数，并使用Hspice 对所设计的电路进行仿真，通过分析其各项性能指标，验证了电路具有起振时间短，波形稳定，功耗低，所占芯片面积小的特点。

　　0 引言

　　在很多数字集成电路中都要用到实时时钟（RTC , Real Time Clock） 电路，而确保RTC 工作计时准确的关键部分就是32.756kHz 的晶体振荡电路。

　　传统的RTC 电路是采用反相器对晶振产生的波形做整形，所用起振时间需要几个ms ,如果用过多的反相器会加大电路功耗。本文提出一种用晶体起振电路模型和比较器搭建的晶振电路，晶振模型部分用于产生32. 768kHz的正弦波，比较器部分将波形整形为最终需要的时钟波形。但是本文中所介绍的整个晶振电路的起振时间只需要几个μs ,而且电路所需静态电流少，耗功率小，版图所占面积也小。整个电路用基于Hspice 做了仿真，验证了电路各参数的准确性及电路的可实现性，并已成功流片并用于基于0. 18μm 工艺下的某系列音频芯片中，为其提供实时时钟。

　　1 电路结构

　　图1 所示为振荡电路结构框架，将晶振模型产生的正弦信号IN 和OUT 作为输入，进入比较器比较后，产生稳定的32k 时钟波形。

图1 晶振的整体电路

　　2 具体电路分析

　　按晶振部分和比较器部分分别给出具体电路的分析。

　　2. 1 晶振部分的电路分析

　　图2 所示是晶振部分所用的具体电路，其中，R1 , C1 ,L1 , Cp 是晶体的等效模型电路。R1 是晶体的等效串联电阻，其值表示晶体的损失，L1 , C1 分别为晶体的等效串联电感和电容，这两个值决定晶体的振荡频率为32. 785kHz （ f = 1P2pi √LC） , Cp 是晶体输入输出引脚间的电容，其值为5 p , Cl1 , Cl2 是晶体的负载电容。图2 中NMOS管M1 作为一个单级反相放大器通过晶振等效电路形成正反馈，从而和栅源（ G , S） ,漏源（ D , S） 之间的两个负载电容一起形成Pierce 振荡电路的结构。Ribias 和Rg 为NMOS管提供偏置电压。该晶振部分电路在满足巴克豪林准则的条件下可以振荡。

图2 晶振部分的具体电路。

　　以下通过负阻的角度来分析电路的工作原理，图3 所示为晶振部分等效串联谐振电路，其中NMOS 管M1 和Cl1 , Cl2 的阻抗可以等效为：

　　其具体等效方法为： 设流进OUT 点的电流为I ,Ribias 两端的电压为V ,NMOS 管上的漏电流为gmVIN ,则：

　　联立这两个式子，消去VIN 即可得到：

　　从而，起振电路的等效阻抗：